Studienseminar für Mess- und Regelungstechnik

Die Detektion einzelner Lichtquanten ist wichtig für die Quantenkommunikation, Fernerkundung usw. Aufgrund ihrer hohen Detektionseffizienz, des außergewöhnlichen Signal-Rausch-Verhältnisses und der schnellen Wiederherstellungszeiten sind supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) zu einer entscheidenden Komponente in diesen Anwendungen geworden. Der Betrieb konventioneller SNSPDs erfordert jedoch kostspielige Kryokühler. In der Veröffentlichung „Single-photon detection using high-temperature superconductors” (I. Charaev et al. Nat. Nanotechn. 18, 343 (2023)) hat eine internationale Gruppe von Forschern den Einzelphotonenbetrieb für zwei Typen von Hochtemperatursupraleitenden Nanodrähten demonstriert. Dieser Vortrag soll eine Einführung in die Grundlagen der SNSPDs enthalten und einige der Perspektiven für die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern in der Photonen-Zählung umreißen.

Single-Photon Detectors Based on High-Temperature Superconductors

The detection of individual photons is essential for quantum communication, remote sensing, and other applications. Owing to their high detection efficiency, exceptional signal-to-noise ratio, and short recovery times, superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) have become key components in these applications. However, the operation of conventional SNSPDs requires cryogenic cooling systems. In the publication “Single-photon detection using high-temperature superconductors” (I. Charaev et al., Nature Nanotechnology 18, 343 (2023)), an international team of researchers demonstrated single-photon detection using two types of high-temperature superconducting nanowires. This talk will introduce the fundamental operating principles of SNSPDs and outline some perspectives for the use of high-temperature superconductors in photon-counting applications.

Betreuung: Prof. Oleksandr Dobrovolskiy

Kinetic Inductance Detectors (KIDs) are a special case of single photon detectors, which utilize the change in inductance of a superconductive element with a known impedance that occurs through the breakup of cooper pairs caused by interaction with single photons. KIDs stand out due to their use case. The single photon emitters targeted by a KID pixel is a distant star, possibly on the other side of the milky way galaxy. Since their first theoretical introduction in the early 2000's and the first uses in the late 2000's KIDs have been used more and more in astronomy. This talk will focus on the mechanics, which allow the detection of these single photons and on the technological development in the last couple of years, which have yielded increased pixel density and quality of imaging.

Kinetische Inductanz Detektoren (KIDs) sind spezielle Einzelphotonendetektoren, welche die Änderung der Induktanz eines supraleitenden Elementes mit bekannter Impedanz messen. Diese Änderung wird durch das Zerbrechen von Cooper Paaren durch genau diese Photonen verursacht. KIDs sind allerdings aufgrund ihres Anwendungsgebietes besonders. Die Einzelphotonenemitter, welche hier interessant sind, sind zum Beispiel Sterne, welche sich am anderen Ende der Milchstraße befinden. Seit ihrer ersten Vorstellung in den frühen 2000ern und den darauf folgenden ersten Anwendungen in den späten 2000ern werden KIDs immer öfters in der Astronomie verwendet. Diese Präsentation wird sich sowohl auf den grundlegenden physikalischen Prinzipien von KIDs konzentrieren, als auch auf die technologischen Entwicklungen der letzten Jahre, welche sowohl die Pixeldichte, also auch die allgemeine Bildqualität verbessert haben.

 https://doi.org/10.1038/nature02037
 

Betreuung: J. Öhlmann, M.Sc.

Um eine elektronische Schaltung vollständig zu charakterisieren, sind S-Parameter-Messungen mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) erforderlich. Ein VNA ist ein hochpräzises Messinstrument, allerdings nur, wenn es zuvor fachgerecht kalibriert wurde. Selbst kleinste Veränderungen der Messumgebung können ein Experiment erheblich verfälschen. Bei Raumtemperatur stehen verschiedene Kalibrierverfahren wie OSM, TLR, SOLT und viele weitere zur Verfügung, die jeweils unterschiedliche Stärken und Schwächen aufweisen. Mit dem zunehmenden Einzug des Quantencomputings in die praktische Anwendung wächst auch der Bedarf, Quantenschaltungen bei ihren Betriebstemperaturen zu charakterisieren. Dieser Vortrag gibt eine Einführung in die Herausforderungen bei der Durchführung von Kalibrierungen bei tiefen Temperaturen und zeigt, wie weit sich die Messtechnik und Metrologie auf diesem Gebiet seit Beginn des Jahrzehnts weiterentwickelt haben.

Betreuung: J. Öhlmann, M.Sc.

Magnetische Hyperthermie (magnetic fluid hyperthermia, MFH) ist Gegenstand aktueller Forschung zur Krebstherapie. Dabei werden magnetische Nanopartikel in den Körper eingebracht und von außen mittels magnetischem Wechselfeld erhitzt. Dieses Verfahren wird seit wenigen Jahren durch die Idee der "lokalisierten Hyperthermie" ergänzt. Dabei werden Konzepte aus der Magnetic Particle Imaging (MPI) Bildgebung entliehen, um ein gezieltes räumlich-begrenztes Aufheizen zu ermöglichen.
Im Rahmen dieses Seminarvortrags sollen die Grundlagen und Anwendungen dieses neuen Verfahrens vorgestellt werden.

Betreuung: Kai Lünne, M.Sc.

Transistoren bei tiefen Temperaturen zu betreiben kann aus mehreren Gründen sinnvoll sein, beispielsweise für niedrigeres Rauschen oder erhöhte Leitfähigkeit. Am Institut wurden diesbezüglich bereits einige Versuche u. a. mit kommerziell erhältlichen JFETs durchgeführt. Beim Abkühlen treten mehrere Effekte auf, die sich zunächst in verbesserten Eigenschaften mit einem Optimum bei 120 K äußern, jedoch unterhalb von 100 K die Funktion des Transistors immer weiter einschränken. In diesem Seminarvortrag sollen diese Effekte auf physikalischer Ebene qualitativ erläutert und anhand von bestehenden Messdaten gezeigt werden.

Betreuung: Julius Mumme, M.Sc.

Zur Herstellung von Spannungsstandards werden in Supraleitern gezielt Fehlstellen erzeugt, die sogenannten Josephson-Kontakte. An diesen Kontakten können mittels hochfrequenter Anregung feste Spannungen (Shapiro-Stufen) eingestellt werden, die nur von Naturkonstanten und der Anregungsfrequenz abhängen. Diese Spannungen sind allerdings sehr klein. Daher ist es notwendig, viele Josephson-Kontakte in Reihe zu schalten, um z.B. eine Spannung von 1 V zu erreichen. Dabei müssen sich die Shapiro-Stufen überlappen, damit eine konstante Spannung erreicht werden kann. Daher gibt es die Idee, Shapiro-Stufen zu nutzen, die bei einem Strom von 0 A auftreten, da diese sich automatisch überlappen. Solche Stufen werden Zero Bias Shapiro Steps genannt.

Der Vortrag soll die Herstellung von Josephson-Kontakten sowie das Phänomen der Shapiro-Stufen erläutern. Weiterhin soll erklärt werden, unter welchen Bedingungen Zero Bias Shaprio Stufen entstehen und wie sie in einem Spannungsstandard genutzt werden können.

Betreuung: Marc-André Tucholke, M. Sc.